რამდენიმე იდეალიზებული თერმოდინამიკური პროცესი აღწერს, თუ როგორ შეიძლება შეიცვალოს იდეალური გაზის მდგომარეობები. იზობარული პროცესი მხოლოდ ერთი მათგანია.
რა არის თერმოდინამიკის შესწავლა?
თერმოდინამიკა არის ცვლილებების შესწავლა, რომლებიც ხდება სისტემებში თერმული ენერგიის (სითბოს ენერგია) გადაცემის გამო. ნებისმიერ დროს, როდესაც სხვადასხვა ტემპერატურის ორი სისტემა ერთმანეთთან კონტაქტშია, სითბოს ენერგია უფრო ცხელი სისტემიდან გაცივების სისტემაში გადავა.
მრავალი სხვადასხვა ცვლადი ახდენს გავლენას ამ სითბოს გადატანაზე. მასალების მოლეკულური თვისებები გავლენას ახდენს იმაზე, თუ რამდენად სწრაფად და მარტივად ახერხებს სითბოს ენერგიის გადაადგილებას ერთი სისტემიდან მეორეში მაგალითად, და სპეციფიკური სითბოს სიმძლავრე (სითბოს რაოდენობა, რომელიც საჭიროა ერთეული მასის 1 გრადუსი ცელსიუსით ასამაღლებლად) გავლენას ახდენს მიღებული საბოლოო ტემპერატურა
რაც შეეხება გაზებს, სითბოს ენერგიის გადატანისას კიდევ მრავალი საინტერესო მოვლენა ხდება. გაზებს შეუძლიათ მნიშვნელოვნად გაფართოვდნენ და შეკუმშონ, და თუ როგორ იქცევიან ეს დამოკიდებულია კონტეინერში, რომელშიც ისინი არიან შეზღუდული, სისტემის წნევაზე და ტემპერატურაზე. ამიტომ გაზების მუშაობის გაგება მნიშვნელოვანია თერმოდინამიკის გაგებისთვის.
კინეტიკური თეორია და სახელმწიფო ცვლადები
კინეტიკური თეორია გთავაზობთ გაზის მოდელირების გზას ისე, რომ გამოყენებული იქნას სტატისტიკური მექანიკა, რის შედეგადაც ხდება სისტემის განსაზღვრა სახელმწიფო ცვლადების საშუალებით.
გაითვალისწინეთ რა არის გაზი: რამდენიმე მოლეკულა, რომლებსაც ერთმანეთის თავისუფლად გადაადგილება შეუძლიათ. გაზის გასაგებად, აზრი აქვს შეხედოთ მის ძირითად კომპონენტებს - მოლეკულებს. გასაკვირი არ არის, რომ ეს ძალიან რთული ხდება. წარმოიდგინეთ, რა რაოდენობითაა მოლეკულები მხოლოდ ჰაერში სავსე ჭიქაში. არ არსებობს კომპიუტერი, რომელიც საკმარისად ძლიერია, რათა თვალყური ადევნოს ამდენი ნაწილაკის ურთიერთქმედებას ერთმანეთთან.
ამის ნაცვლად, გაზის მოდელირებით, როგორც ნაწილაკების კოლექცია, რომლებიც განიცდიან შემთხვევით მოძრაობას, შეგიძლიათ დაიწყოთ ზოგადი სურათის გაგება ნაწილაკების ფესვის საშუალო კვადრატული სიჩქარის გათვალისწინებით მაგალითი. მოსახერხებელი ხდება მოლეკულების საშუალო კინეტიკური ენერგიაზე საუბრის დაწყება, ნაცვლად იმისა, რომ განისაზღვროს თითოეული ცალკეულ ნაწილაკთან დაკავშირებული ენერგია.
ამ სიდიდეებს მივყავართ მდგომარეობის ცვლადების განსაზღვრის შესაძლებლობას, რომლებიც არის სიდიდეები, რომლებიც აღწერს სისტემის მდგომარეობას. აქ განხილული ძირითადი სახელმწიფო ცვლადები იქნება წნევა (ძალა ერთეულ ფართობზე), მოცულობა (რაოდენობა) სივრცეში გაზი იკავებს) და ტემპერატურა (რაც საშუალო კინეტიკური ენერგიის საზომია თითოზე მოლეკულა). ამ სახელმწიფო ცვლადების ერთმანეთთან დამოკიდებულების შესწავლით შეგიძლიათ მაკროსკოპული მასშტაბის თერმოდინამიკური პროცესების გაგება.
ჩარლზის კანონი და იდეალური გაზის კანონი
იდეალური გაზი არის გაზი, რომელშიც გაკეთებულია შემდეგი დაშვებები:
მოლეკულების მკურნალობა შეიძლება წერტილოვანი ნაწილაკების მსგავსად, არ იკავებს ადგილს. (ასე რომ არ მოხდეს, მაღალი წნევა დაუშვებელია, ან მოლეკულები საკმაოდ ახლოს იქნებიან ერთმანეთთან, რომ მათი მოცულობები გახდეს შესაბამისი).
ინტერმოლეკულური ძალები და ურთიერთქმედება უმნიშვნელოა. (ტემპერატურა არ შეიძლება იყოს ძალიან დაბალი, რომ ასე მოხდეს. როდესაც ტემპერატურა ძალიან დაბალია, ინტერმოლეკულური ძალები შედარებით უფრო დიდ როლს თამაშობენ.)
მოლეკულები ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან და კონტეინერის კედლებთან მშვენივრად ელასტიური შეჯახებებით. (ეს საშუალებას იძლევა ვივარაუდოთ კინეტიკური ენერგიის შენარჩუნება).
ამ დაშვებების გაკეთების შემდეგ, ზოგიერთი ურთიერთობა აშკარა ხდება. მათ შორისაა იდეალური გაზის კანონი, რომელიც გამოხატულია განტოლების სახით, როგორც:
PV = nRT = NkT
სადპარის ზეწოლა,ვარის მოცულობა,თარის ტემპერატურა,ნარის moles,ნარის მოლეკულების რაოდენობა,რარის გაზის უნივერსალური მუდმივა,კარის ბოლცმანის მუდმივა დაnR = Nk.
გაზის იდეალურ კანთან მჭიდრო კავშირშია ჩარლზის კანონი, სადაც ნათქვამია, რომ მუდმივი ზეწოლისთვის, მოცულობა და ტემპერატურა პირდაპირპროპორციულია, ანV / T= მუდმივი.
რა არის იზობარული პროცესი?
იზობარული პროცესი არის თერმოდინამიკური პროცესი, რომელიც ხდება მუდმივი წნევის დროს. ამ სფეროში მოქმედებს ჩარლზის კანონი, რადგან წნევა მუდმივად შენარჩუნებულია.
პროცესების ტიპები, რომლებიც შეიძლება მოხდეს წნევის მუდმივად შენარჩუნებისას, მოიცავს იზობარულ გაფართოებას, რომელშიც მოცულობაა იზრდება, ხოლო ტემპერატურა იკლებს და იზობარული შეკუმშვა, რომლის დროსაც მოცულობა იკლებს, ხოლო ტემპერატურა იზრდება.
თუ ოდესმე მოგიმზადებიათ მიკროტალღური საჭმელი, რომელიც მიკროტალღურ ღუმელში ჩასვლამდე პლასტმასის სავენტილაციო ჭრას მოითხოვს, ეს ხდება იზობარული გაფართოების გამო. მიკროტალღური ღუმელის შიგნით, პლასტმასით დაფარული ჭურჭლის შიგნით და გარეთ წნევა ყოველთვის იგივეა და ყოველთვის წონასწორობაშია. საჭმლის მომზადების და გახურებისთანავე ტემპერატურის ზრდის შედეგად უჯრის შიგნით ჰაერი ფართოვდება. თუ გამწოვი არ არის შესაძლებელი, პლასტიკური შეიძლება გაფართოვდეს იქამდე, სადაც იფეთქებს.
სახლში იზობარული შეკუმშვის სწრაფი ექსპერიმენტისთვის, გაყინეთ ბუშტი თქვენს საყინულეში. ისევ და ისევ, ზეწოლა ბუშტის შიგნით და მის გარეთ ყოველთვის იქნება წონასწორობა. მაგრამ საჰაერო ბურთის ჰაერში გაცივებისთანავე იგი შემცირდება.
თუ რა კონტეინერშია გაზი თავისუფლად გაფართოვდება და იკუმშება, ხოლო გარე წნევა მუდმივი რჩება, მაშინ ნებისმიერი პროცესი იქნება იზობარული, რადგან წნევის ნებისმიერი სხვაობა გამოიწვევს გაფართოებას ან შეკუმშვას, სანამ ეს განსხვავება არ არის გადაჭრილია.
იზობარული პროცესები და თერმოდინამიკის პირველი კანონი
თერმოდინამიკის პირველი კანონი ამბობს, რომ შინაგანი ენერგიის ცვლილებაუსისტემის ტოლია სითბოს ენერგიის რაოდენობას შორის სხვაობას სისტემაშიQდა სისტემის მიერ შესრულებული წმინდა სამუშაოებივ. განტოლების ფორმით, ეს არის:
\ დელტა U = Q - W
შეგახსენებთ, რომ ტემპერატურა იყო საშუალო კინეტიკური ენერგია თითო მოლეკულაზე. მთლიანი შინაგანი ენერგია მაშინ ყველა მოლეკულის კინეტიკური ენერგიის ჯამია (იდეალური გაზის შემთხვევაში, პოტენციური ენერგიები უმნიშვნელოდ ითვლება). ამრიგად, სისტემის შიდა ენერგია პირდაპირპროპორციულია ტემპერატურისა. იმის გამო, რომ გაზის იდეალური კანონი უკავშირებს წნევას და მოცულობას ტემპერატურას, შიდა ენერგია ასევე წნევისა და მოცულობის პროდუქტის პროპორციულია.
ასე რომ, თუ სისტემაში სითბოს ენერგია დაემატება, ტემპერატურა იზრდება, ისევე როგორც შინაგანი ენერგია. თუ სისტემა მუშაობს გარემოზე, ენერგიის ეს რაოდენობა იკარგება გარემოსთვის და ტემპერატურა და შინაგანი ენერგია იკლებს.
PV დიაგრამაზე (წნევის გრაფიკი vs. მოცულობა), იზობარული პროცესი ჰორიზონტალური ხაზის გრაფად გამოიყურება. მას შემდეგ, რაც თერმოდინამიკური პროცესის განმავლობაში შესრულებული სამუშაოს მოცულობა ტოლია PV მრუდის ქვეშ არსებული ფართობის, იზობარულ პროცესში შესრულებული სამუშაო მარტივია:
W = P \ დელტა V
იზობარული პროცესები სითბოს ძრავებში
სითბოს ძრავები სითბოს ენერგიას მექანიკურ ენერგიად აქცევს გარკვეული სახის სრული ციკლის საშუალებით. ეს ჩვეულებრივ მოითხოვს სისტემის გაფართოებას ციკლის განმავლობაში გარკვეულ მომენტში, სამუშაოს შესასრულებლად და გარე ენერგიის ენერგიის გადასაცემად.
განვიხილოთ მაგალითი, რომელშიც ერლენმაიერის კოლბოტი პლასტმასის მილებით არის მიერთებული მინის შპრიცთან. ამ სისტემაში შემოფარგლულია ჰაერის ფიქსირებული რაოდენობა. თუ შპრიცის დგუში თავისუფლად გადაიჩეხო, მოძრავი დგუშის როლს ასრულებს, თბური სითბოს აბაზანაში (ცხელი წყლის აბაზანაში) ჩასვით, ჰაერი გაფართოვდება და დგუში ამოიღებს, სამუშაოს შესრულებით.
ასეთი სითბოს ძრავის ციკლის დასასრულებლად საჭიროა კოლბის მოთავსება ცივ აბაზანაში, რათა შპრიცი კვლავ დაბრუნდეს საწყის მდგომარეობაში. თქვენ შეგიძლიათ დაამატოთ დგუშის გამოყენების დამატებითი საფეხური მასის ასამაღლებლად ან მექანიკური მუშაობის რაიმე სხვა ფორმის შესასრულებლად.
სხვა თერმოდინამიკური პროცესები
სხვა სტატიებში უფრო დეტალურად განხილული სხვა პროცესები მოიცავს:
იზოთერმულიპროცესები, რომელშიც ტემპერატურა მუდმივად ტარდება. მუდმივ ტემპერატურაზე წნევა უკუპროპორციულია მოცულობისა და იზოთერმული შეკუმშვა იწვევს წნევის ზრდას, ხოლო იზოთერმული გაფართოება იწვევს წნევის შემცირებას.
ანიზოკორულიპროცესი, გაზის მოცულობა მუდმივად რჩება (კონტეინერი, რომელიც ატარებს გაზს, ხისტად არის დაცული და გაფართოება ან შეკუმშვა შეუძლებელია). აქ წნევა მაშინ პირდაპირპროპორციულია ტემპერატურისა. სისტემაში ან მის მიერ სამუშაო არ შეიძლება შესრულდეს, რადგან მოცულობა არ იცვლება.
ანადიაბატურიპროცესი, სითბოს გაცვლა არ ხდება გარემოსთან. თერმოდინამიკის პირველი კანონის თვალსაზრისით, ეს ნიშნავსQ= 0, შესაბამისად, შინაგანი ენერგიის ნებისმიერი ცვლილება პირდაპირ შეესაბამება სისტემაში ან მის მიერ შესრულებულ სამუშაოს.